流水线MSS8的框图，对应于为t=3构建的MSS。绿色（红色）箭头代表各自 CAE 单元的两个输出中较小（较大）。图片来源：科学报告（2024 年）。DOI： 10.1038/s41598-024-60319-9

这听起来很不可思议，但对于在世界上最大的粒子对撞机工作的科学家来说，这是现实。

在法国和瑞士边境下方约350英尺处的一条地下隧道中，一个名为“大型强子对撞机”（Large Hadron Collider）的巨大装置以接近光速的速度发射质子束相互撞击，产生微小的喷发，模仿大爆炸后立即存在的条件。

杜克大学物理学家阿舒托什·科特瓦尔（Ashutosh Kotwal）等科学家认为，这些碰撞的亚原子碎片可能包含宇宙“缺失物质”的暗示。在人工智能的帮助下，科特瓦尔希望利用5月3日发表在《科学报告》（Scientific Reports）杂志上的一种设计，在相机上捕捉到这些转瞬即逝的线索。

普通物质——人类和行星的物质——只是外面事物的一部分。科特瓦尔和其他人正在寻找暗物质，这是一种看不见的物质，比我们能看到的物质丰富五倍，但其性质仍然是个谜。

科学家们知道它的存在是因为它对恒星和星系的引力影响，但除此之外，我们对它知之甚少。

大型强子对撞机可能会改变这一点。在那里，研究人员正在使用像巨型3D数码相机一样的探测器寻找暗物质和其他奥秘，这些探测器可以连续拍摄每次质子 - 质子碰撞产生的粒子喷雾的快照。

只有普通颗粒才会触发探测器的传感器。如果研究人员可以在大型强子对撞机上制造暗物质，科学家们认为它可能引起注意的一种方式是一种消失行为：重带电粒子从碰撞点传播一定距离（10英寸左右），然后无形地衰变成暗物质粒子，不留痕迹。

如果你回溯这些粒子的路径，它们会留下一个明显的“消失轨迹”，在探测器的内层中途消失。

但要发现这些难以捉摸的轨道，他们需要迅速采取行动，科特瓦尔说。

这是因为大型强子对撞机的探测器每秒拍摄大约4000万张飞行粒子的快照。原始数据太多了，无法保留所有内容，而且其中大部分都不是很有趣。科特瓦尔正在大海捞针。

“这些图像中的大多数都没有我们正在寻找的特殊签名，”科特瓦尔说。“也许百万分之一就是我们想要拯救的人。”

研究人员只有百万分之几秒的时间来确定是否对特定的碰撞感兴趣，并将其存储起来以供以后分析。

“要实时做到这一点，并且连续几个月，将需要一种图像识别技术，该技术的运行速度至少比粒子物理学家能够做到的任何事情快100倍，”Kotwal说。

科特瓦尔认为他可能有一个解决方案。他一直在开发一种叫做“轨迹触发器”的东西，这是一种快速算法，能够在下一次碰撞发生之前发现并标记这些转瞬即逝的轨迹，并从同时测量的数万个其他数据点中发现并标记出来。

他的设计是通过在同时运行的大量人工智能引擎中分配分析每张图像的任务，这些引擎直接构建在硅芯片上。该方法在不到 250 纳秒的时间内处理图像，自动清除不感兴趣的图像。

Kotwal 在 2020 年和 2021 年发表的两篇论文中首次描述了这种方法。在最近的论文中，他和一组本科生合著者展示了他的算法可以在硅芯片上运行。

科特瓦尔和他的学生计划在明年夏天之前制造出他们的设备的原型，尽管还需要三到四年的时间才能将完整的设备（由大约2000个芯片组成）安装在大型强子对撞机的探测器上。

随着加速器的性能不断提高，它将产生更多的颗粒。Kotwal的设备可以帮助确保，如果暗物质隐藏在它们之中，科学家们不会错过它。

“我们的工作是确保如果暗物质正在发生，那么我们的技术就可以在行动中抓住它，”科特瓦尔说。

更多信息：Ashutosh Vijay Kotwal等人，一种低延迟图形计算机，用于识别大型强子对撞机上的亚稳态粒子，用于实时分析潜在的暗物质特征，《科学报告》（2024）。DOI： 10.1038/s41598-024-60319-9

期刊信息： Scientific Reports